Самоуплотняющиеся бетоны особенности технологии
Обновлено: 18.05.2024
Самоуплотняющийся бетон – эффективный инструмент в решении задач строительства
Самоуплотняющийся бетон представляет собой материал, который способенуплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже в густоармированных конструкциях. Он находит все более широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций.Чем же самоуплотняющийся бетон отличается от традиционно применяемого.
Особо высокопрочные бетоны, модифицированные добавками-суперпластификаторами, начали применять в конце 60-х — начале 70-х годов прошлого века. В частности, в 1970 году такой бетон использовался для строительства нефтяных платформ в Северном море норвежскими и британскими специалистами. Опыт применения подобного материала показал преимущества введения суперпластификаторов в бетонную смесь, однако был замечен и ряд ограничений в работе с ним. Во-первых, большинство суперпластификаторов, особенно при больших дозировках, способны замедлять схватывание бетонной смеси. Во-вторых, при ее транспортировке в течение 60–90 минут эффект от действия добавки снижается, то есть уменьшается подвижность. В-третьих, подача смеси по трубопроводу к месту укладки на расстояние свыше 200–250 метров стимулирует расслоение и создает неоднородность в готовом изделии. В результате время выполнения работ по бетонированию возрастает, ухудшается качество поверхности изделий, снижается прочность.
Появление новых амбициозных проектов в сфере строительства (таких, как протяженные подвесные мосты в Японии и Китае, комплексы крупных гидротехнических и транспортных сооружений в Голландии и ряд других) повысило требования к особо высокопрочным бетонам. При возведении таких конструкций было необходимо использование литых смесей в большом объеме. А зачастую участки бетонирования находились на большом расстоянии от места производства бетона и даже на значительном удалении от побережья (на воде). Кроме этого, еще одной необходимостью было сокращение времени и трудозатрат на уплотнение бетонной смеси, а также повышенный набор прочности в ранние сроки.
Решению указанных задач способствовали теоретические исследования и практические внедрения, направленные на
- применение мультифракционного заполнителя для получения высокопрочного бетона;
- введение микро- и ультрадисперсного наполнителя для повышения прочности, коррозионной и трещиностойкости материала;
- управление реологией высокоподвижных бетонных смесей;
- создание новых видов химических модификаторов, регуляторов свойств бетона.
В 1986 году проф. Окамура [см. Okamura H., Ouchi M. Self-Compacting Concrete // Advanced Concrete Technology, 2003, Vol. 1, No. 1] при разработке высокопрочного бетона обобщил опыт, накопленный в указанных областях, предложив называть получаемый материал “самоуплотняющийся бетон”.
Самоуплотняющийся бетон — Self-Compacting Concrete (SCC) — способенуплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже в густоармированных конструкциях. Первая международная конференция по изучению его свойств прошла в 1998 году с участием 150 ученых и инженеров из 15 стран. Высокая эффективность нового материала способствовала созданию рабочей группы специалистов RILEM (1996 г.) из 8 стран для разработки рекомендаций по использованию самоуплотняющихся бетонов. В 2004 году организован технический комитет 205-DSC “Долговечность самоуплотняющегося бетона”, председателем которого является проф. Шуттер. В работе этого комитета задействованы 25 лабораторий из 14 стран. В результате исследований была разработана классификация самоуплотняющихся бетонов [см. EFNARC: Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete. Farnham, February 2002], определяющая их назначение и области применения.
Классификация бетонных смесей для производства самоуплотняющихся бетонов
Наименование бетонной смеси
Назначение и области применения самоуплотняющихся бетонов
Неармированные или низкоармированные бетонные конструкции – плиты перекрытий, трубопроводы, облицовки туннелей, фундаментов.
Большинство обычных сооружений – колонны, стены.
Вертикальные элементы, густоармированные конструкции сложных форм, торкретирование.
Конструкции и изделия, к которым предъявляются высокие требования по качеству поверхности и не требующие дополнительной обработки.
Конструкции невысокого класса прочности. Ввиду повышенной расслаиваемости тиксотропные свойства быстро изменяются за небольшой промежуток времени, что ограничивает расстояние транспортировки.
Легкоформуемая (Passing ability)
Вертикальные сооружения, домостроение, конструкции, армированные с шагом от 80 до 100 мм.
Инженерные сооружения, армированные с шагом от 60 до 80 мм.
Устойчивая к расслоению (Segregation resistance)
(расслаиваемость не более 20%)
Высотные элементы, за исключением тонких балок, вертикальные сооружения, армированные с шагом до 80 мм. Максимальное расстояние транспортировки менее 5 метров.
(расслаиваемость не более 15%)
Стены и тонкостенные профили, армированные с шагом свыше 80 мм. Максимальное расстояние транспортировки более 5 метров.
Хорошее начало 2007 года!
Журнал "Популярное бетоноведение" начинает и в течение года полностью опубликует очень интересную и полезную брошюру:
"Итальянские технологии производства пенобетона - материал от компании LASTON ITALIANA SPA"
Первая часть в первом номере 2007 года!
Чертежи установки напольного прессования.
Журнал "Популярное бетоноведение" начал публикацию полных чертежей установки напольного прессования для производства стеновых блоков из бетона, керамзитобетона, опилкобетона и т.п.
В 1980-е годы начали разрабатывать большепролетные подвесные железобетонные мосты, размеры которых должны были стать рекордными. Самый длинный мост — Акаши Кайкё — был открыт в апреле 1998 года в Японии. Он соединяет друг с другом острова Хонсю и Сикоку. Мост имеет три пролета: центральный, длиной 1991 метр, и две секции по 960 метров. Общая его длина составляет 3911 метров. К началу работы над этим проектом физические лимиты существующих материалов были исчерпаны. Поэтому новый ультра высокопрочный самоуплотняющийся бетон оказался востребованным и позволил увеличить нагрузку и пролет моста.
Для бетонирования только одной опалубки фундамента этого сооружения потребовалось 256000 м3бетонной смеси, в то время как высота пилонов на побережье приближается к высоте Эйфелевой башни и достигает 283 метров. Конструкция моста выдерживает скорость ветра до 80 метров в секунду и сейсмическую активность до 8,5 баллов по шкале Рихтера.
В конце прошлого века производство самоуплотняющихся бетонов стало значительно возрастать. В Японии при возведении стен крупного водохранилища в июне 1998 года благодаря самоуплотняющемуся бетону удалось сократить сроки строительства с 22 запланированных месяцев до 18, при этом количество рабочих уменьшилось со 150 до 50. Самоуплотняющийся бетон применялся и в Швеции при строительстве прибрежной линии с запада на восток в южной части Стокгольма. Это несколько переходов с мостами, земляными насыпями, туннелями и бетонными конструкциями, общей протяженностью 16,6 км. Причем сооружения должны выдерживать воздействие грунтовых минерализованных и морских соленых вод, а также циклические замораживания и оттаивания. Стоимость проекта составила 800 миллионов долларов.
Состав бетонной смеси для самоуплотняющихся бетонов
Компоненты бетонной смеси
Расход составляющих на 1 м3 бетонной смеси
Портландцемент с пониженным тепловыделением, кг
Мелкий заполнитель, кг
Крупный заполнитель, кг
Добавка суперпластификатор, кг
Известковый наполнитель, кг
Мелкий заполнитель, кг
Крупный заполнитель, кг
Добавка суперпластификатор, кг
Гранулированный шлак, кг
Мелкий заполнитель, кг
Крупный заполнитель, кг
Добавка суперпластификатор, мл
Зола высококальциевая, кг
Крупный заполнитель 10 мм, кг
Крупный заполнитель 20 мм, кг
Мелкий заполнитель, кг
Добавка суперпластификатор, мл
Еще одним примером служит высокоскоростная эстакада в Мумбаи длиной 2,32 км с шириной полосы проезжей части 16,2 м. При ее строительстве впервые в Индии использовался высокопрочный самоуплотняющийся бетон с микрокремнеземом. Проектная прочность составляла 75 МПа, подвижность бетонной смеси достигала 70 см [см. Mullick A.K. High Performance Concrete in India – Development, Practices and Standardization // Indian Concrete Journal, 2005, Vol. 6 (2)]. Этот вид бетона также применяли при возведении атомной электростанции, строительстве мостов и туннелей метрополитенов в других городах страны.
Для достижения высоких эксплуатационных характеристик самоуплотняющихся бетонов предъявляются очень жесткие требования к производственным материалам. Крупность мелкого заполнителя составляет не более 0,125 мм, причем 70 % из них размером 0,063 мм. Крупный заполнитель обязательно фракционируют по размерам 10–16 мм и 16–20 мм. Также допускается применение неорганических материалов с высокой удельной поверхностью, которые увеличивают водоудерживающую способность смеси (белая сажа, молотый асбест, бентониты). Например, 20 кг активного кремнезема заменяют 60 кг цемента и обеспечивают равнозначную прочность, причем в ранние строки твердения прочность увеличивается, так же как трещиностойкость и водонепроницаемость бетона [см. M. Collepardi. Admixtures-Enhancing concrete performance // 6th International Congress, Global Construction, Ultimate Concrete Opportunities, Dundee, U.K. – 5-7 July 2005].
Рис. 1. Кинетика роста прочности самоуплотняющего бетона
в начальные сроки твердения
Важной составной частью самоуплотняющихся бетонов является полимер нового поколения — поликарбоксилат — высокоэффективный комплексный химический модификатор, появившийся в 1990-х годах и обозначаемый PC или PCE. Действие пластификаторов нового типа основано на совокупности электростатического и пространственного эффекта, который достигается с помощью боковых гидрофобных полиэфирных цепей молекулы поликарбоксилатного эфира.
За счет этого продолжительность пластифицирующего действия поликарбоксилатов в 3–4 раза больше по сравнению с сульфомеланиновыми, сульфонафталиновыми формальдегидами или лигносульфонатами. Указанная способность позволяет не только повысить подвижность раствора в ранние сроки, но и сохранять ее в течение большего периода времени, что положительно сказывается на сроках транспортировки бетонных смесей с заводов к местам строительства.
Механизм действия нового суперпластификатора заключается в том, что частицы поликарбоксилатов адсорбируются на поверхности цементных зерен и сообщают им отрицательный заряд. В результате цементные зерна взаимно отталкиваются и приводят в движение цементный раствор (рис. 2). Только небольшая часть цементного зерна покрыта полимером, и свободной поверхности флокулы цемента достаточно для доступа воды и протекания реакции гидратации. Отметим, что структуры полимеров различаются по длине основной цепи, длине боковых цепей, количеству боковых цепей и ионному заряду. Поэтому свойствами данных полимеров можно управлять, изменяя молекулярную структуру и направленно воздействуя на свойства бетона.
Рис. 2. Механизм действия добавки поликарбоксилата
Проектировщики ставят своей задачей возможно более длительную эксплуатацию строительных сооружений. Например, расчетный срок службы моста Акаши Кайкё составляет 200 лет. Бетон фундаментов и опор пилонов подвержен воздействию не только нагрузке от самого моста и транспорта, движущегося по нему, но и агрессивных компонентов, растворенных в морской воде. Последние, особенно сульфат ионы, способствует развитию коррозии.
Повышенная плотность материала, отсутствие в его структуре крупных пор и капилляров препятствуют проникновению агрессивной среды вглубь бетона, снижая риск развития процессов коррозии. По расчетам [см. Min D., Minshu T. Formation and expansion of ettringite crystals // Cement and concrete research, 1994, 24-(1)], кристаллизационное давление эттрингита в порах способно достигать значений 54 МПа. Кроме того, проектная прочность зачастую превышает 100 МПа, соответственно, напряжений, возникающих от образования экспансивных фаз, недостаточно для начала трещинообразования.
Однако трещинообразование в самоуплотняющемся бетоне может развиваться не под воздействием агрессивной среды, а за счет термических напряжений, так как при возведении крупных сооружений объемы формуемых монолитных конструкций зачастую составляют десятки и даже тысячи кубических метров. Известно, что в течение небольшого промежутка времени вследствие экзотермического эффекта температура бетона значительно возрастает и может превысить температуру окружающей среды. При этом для 1 м3 бетона разница температур между наружными и внутренними слоями может достигать 6–8 °С. Благодаря явлению тепловыделения в результате протекания реакций гидратации цемента изменяется температурное поле в изделии, возникают дополнительные внутренние напряжения, представляющие опасность для еще не сформировавшейся структуры материала. Авторами с помощью разработанной методики расчета температурных полей в бетоне проведена оценка и определено, как будет изменяться температура по сечению материала в зависимости от объема формовки (рис. 3).
Рис. 3. Кинетика изменения температуры внутренних слоев и наружной поверхности бетона в процессе гидратации цемента
Также повышению температуры бетонный смеси, а, следовательно, и риску появления сети трещин, способствует разогрев при ее транспортировке от создаваемого трения о стенки трубопровода. При увеличении температуры окружающей среды этот эффект значительно усиливается и приводит, в конечном счете, к ухудшению качества поверхности бетонных изделий, нарушению их структуры, долговечности и коррозионной стойкости. Для снижения внутренних напряжений и, соответственно, риска трещинообразования рекомендуется использовать вяжущие вещества с низким тепловыделением, незначительным содержанием щелочей, сульфатостойкий или шлакопортландцемент.
Самоуплотняющийся бетон находит все более широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций. С одной стороны, распространение самоуплотняющихся бетонов ограничивается дороговизной добавок поликарбоксилатов. Однако использование этого материала позволяет отказаться от виброуплотнения, что в свою очередь уменьшает энергозатраты и экономит время, улучшая санитарно-гигиенические условия труда работающих. Безвибрационная технология настолько снижает уровень шумового воздействия на человека и окружающую среду, что заводы железобетонных изделий можно размещать в урбанизированных городских районах.
В начале статьи мы поставили вопрос: что такое самоуплотняющийся бетон и в чем его отличие от классического бетона? Рецептура самоуплотняющегося бетона отличается не только вводом добавок нового поколения (поликарбоксилатов). Ее проектирование требует оптимизации гранулометрического состава и внедрения микронаполнителей. Следовательно, прогнозирование свойств получаемых изделий ставит сложную задачу перед исследователями в области бетоноведения. Улучшение показателей качества может быть достигнуто за счет применения математических моделей, учитывающих и описывающих реологию литых смесей, оптимальное распределение заполнителей в структуре материала, а также аппроксимационных статистических зависимостей, оценивающих влияние микронаполнителей на эксплуатационные характеристики сооружений. Таким образом, формируется системный подход к определению показателей качества бетона, позволяющий прогнозировать и направленно регулировать его свойства в зависимости от целей и задач, решаемых строителями и технологами.
Основы технологии самоуплотняющегося бетона
В работе рассмотрены основы получения бетонных смесей с высокой удобоукладываемостью. Показано, что эффект самоуплотнения бетонной смеси достигается за счет совместного использования высокоэффективных суперпластификаторов и минеральных добавок.
Ключевые слова:самоуплотняющийся бетон, суперпластификатор, минеральная добавка, тонкий заполнитель.
Самоуплотняющийся бетон (по международной терминологии — Self-Compacting Concrete [SCC]) является одной из современных разновидностей бетона, бурно развивающегося в последние десятилетия. Этот бетон способен уплотняться практически без внешнего воздействия под действием собственного веса, полностью заполняя форму и уплотняясь даже в густоармированных конструкциях. Самоуплотняющиеся бетоны имеют расплыв стандартного конуса 50…80 см, их применение обеспечивает качественное уплотнение бетонной смеси и высокие темпы набора прочности.
Концепция самоуплотняющегося бетона была разработана японскими специалистами [1] в конце 80 годов. Основным мотивом для создания этой разновидности бетона стало получение высококачественного материала, не требующего значительных трудозатрат для укладки бетонной смеси в опалубку [2]. Этот фактор сыграл основную роль для быстрого развития технологии самоуплотняющихся бетонов в начале 90 годов ХХ века не только в Японии, но и других промышленно развитых странах — США, Швеции, Германии, Франции, которые испытывали дефицит квалифицированной рабочей силы в строительной отрасли.
В последние годы и в России, в связи с подъемом строительной отрасли, проявляется интерес к самоуплотняющемуся бетону. Этот материал применяется на строительстве отдельных объектов. Очевидно, что широкое распространение передового опыта мировой строительной практики приведет в будущем к более широкому применению самоуплотняющихся бетонов и увеличению объемов их производства. В связи с этим актуальны исследования факторов определяющих свойства самоуплотняющихся бетонов.
Важнейшей предпосылкой создания самоуплотняющегося бетона является разработка и широкое внедрение в технологию бетона одной из наиболее эффективных групп химических добавок — суперпластификаторов (СП). Понимание того, что эти добавки смогут в значительной степени изменить технологию бетона и позволят создать новые разновидности бетона пришло к специалистам не сразу. Полное использование потенциала СП стало возможным только после системных исследований этих модификаторов бетона и анализа практического опыта их применения.
Принципиальным изменением в представлениях специалистов, занимающихся производством бетона, было осознание того, что «сэкономленный» цемент при введении в состав бетона высокоэффективных СП должен замещаться не крупным и мелким заполнителем, а активными или инертными минеральными добавками [3]. Понимание этой особенности бетонов с добавкой СП, наряду с созданием более совершенных добавок, стало основой создания самоуплотняющегося бетона.
Развитие технологии бетонных смесей с высокой удобоукладываемостью происходило за счет использования различных факторов:
- применение полифракционного заполнителя с оптимальным гранулометрическим составом;
- использование микро- и ультрадисперсного минеральных добавок (микрокремнезема, золы ТЭС, тонкомолотых шлаков и др.) для повышения прочности и коррозионной стойкости материала;
- управление реологией высокоподвижных бетонных смесей;
- создание новых видов химических модификаторов, регуляторов свойств бетона.
В 1986 году проф. Окамура [4] при разработке высокоподвижного бетона обобщил опыт, накопленный в указанных областях, предложил концепцию новой разновидности бетона, который он предложил назвать «самоуплотняющийся бетон».
Важной отличительной чертой современных самоуплотняющихся бетонов в сравнении с литыми бетонными смесями прошлого является отсутствие водоотделения и расслоения при высокой текучести смеси. Низкое водоцементное отношение цементного теста при введении в состав смеси высокоэффективных гиперпластификаторов обеспечивает значительное повышение плотности цементно-водной суспензии. Однако плотность суспензии, даже в случае предельного снижения водоцементного отношения не достигает плотности заполнителя — 2500…2700 кг (рис. 1). Это обстоятельство свидетельствует в пользу того, что повышение плотности цементного теста является только дополнительным фактором, снижающим склонность бетонной смеси к расслоению.
Рис. 1. Влияние водоцементного отношения и доли замещения цемента с плотностью 3100 кг/м 3 минеральной добавкой, имеющей плотность 2700 кг/м 3 на плотность цементного теста
В качестве основного фактора, обеспечивающего нерасслаиваемость смеси, следует рассматривать высокую вязкость цементной суспензии, которая при этом имеет низкое предельное напряжением сдвига. Такое сочетание основных реологических характеристик цементного теста обеспечивает выход из бетонной смеси воздуха, который был в нее вовлечен при перемешивании. Для снижения седиментационных явлений в бетонную смесь могут вводиться загущающие добавки на основе модифицированной целлюлозы, гидролизованного крахмала, полиэтиленгликоля, природных биполимеров и др. [5].
Основная задача, которая должна быть решена при проектировании состава самоуплотняющегося бетона — обеспечение достаточно высокой раздвижки зерен крупного и мелкого заполнителя. В противном случае при введении в бетонную смесь высокоэффективных СП будет наблюдаться сегрегация смеси, которая при определении подвижности с помощью стандартного конуса проявится в виде «эффекта сомбреро» — вытекание из бетонной смеси растворной составляющей, а из растворной составляющей — «цементного молока». При этом бетонная смесь принимает форму, напоминающую сомбреро (рис. 2а).
Рис. 2. Определение удобоукладываемости высокоподвижной бетонной смеси с избыточным (а) и оптимальным (б) содержанием заполнителя. Обозначения: 1 — бетонная смесь с повышенным содержанием крупного заполнителя; 2 — бетонная смесь с повышенным содержанием растворной составляющей; 3 — «цементное молоко»; 4 — однородная бетонная смесь
Необходимая раздвижка зерен заполнителя достигается за счет введения в состав бетона тонкого наполнителя, сопоставимого по дисперсности с вяжущим. Количество этого компонента сопоставимо с расходом вяжущего цемента. Значительное разбавление цемента инертным материалом не приводит к значительной потери прочности в связи со значительно более низким, чем в традиционных бетонах, водоцементным отношением. Введение в состав бетона с высокой удобоукладываемостью значительных объемов инертных или активных минеральных добавок позволяет получить высокоподвижную, но стойкую к сегрегации бетонную смесь.
В настоящее время теория проектирования составов самоуплотняющихся бетонов еще не разработана. Реологические свойства этих бетонов очень чувствительны к соотношению компонентов и их свойствам. Поэтому подбор состава ведется опытным путем. На первом этапе подбирают вид и расход СП, а также минеральной добавки и водоцементного отношения для получения цементного теста с достаточной текучестью. На втором и третьем этапе последовательно подбирают расход крупного и мелкого заполнителя для получения бетонной смеси с расплавом смеси не ниже 50 см. При оценке реологических свойств самоуплотняющейся бетонной смеси необходимо в обязательном порядке определять ее стойкость к расслоению.
Самоуплотняющийся бетон — материал с уникальными технико-строительными свойствами. Его получение возможно благодаря синергизму совместного использования высокоэффективных суперпластификаторов (гипрерпластификаторов) с активными или инертными минеральными добавками. Для широкого применения этих бетонов необходимо создание новой производственной базы, позволяющей на более высоком уровне осуществлять подготовку сырьевых материалов и точно выдерживать их рецептуру.
1. Ozawa K, et. al. Development of high performance concrete based on the durability design of concrete structures: Proceedings of the second East-Asia and Pacific Conference on Structural Engineering and Construction (EASEC-2). 1989. Vol. 1. pp. 445–450.
2. Оучи, М. Самоуплотняющиеся бетоны: разработка, применение и ключевые технологии // Бетон на рубеже третьего тысячелетия: Труды 1-ой Всероссийской конференции по бетону и железобетону. — М.: Готика, 2001. С.209–215.
3. Collepardi M. A Very Close Precursor of Self-Compacting Concrete (SCC) // Supplementary Volume of the Proceedings of Three-Day CANMET/ACI International Symposium on Sostainable Development and Concrete Technology. USA, S. Francisco, 2001. pp. 23–28.
4. Okamura H, et. al. Mix-design for self-compacting concrete // Concrete Library of JSCE. 1995. No. 25. pp.107–120.
5. Collepardi, M. Self-Compacting Concrete: What is New? // Proceedings of Seventh CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures In Concrete. Berlin, Germany. 2003. pp. 1–16.
Особенности использования самоуплотняющегося бетона в строительстве
Ключевые слова: бетон, уплотнение, добавки, пластификаторы, строительство.
За последние тридцать лет, строительный материал бетон очень быстро развивался. Происходило это благодаря развитию науки и технологий, а так же широкому развитию химической промышленности. Строительный материал прогрессировал и менялся каждый год, приобретая новые свойства и характеристики путем внесения корректировок в его состав. С каждым годом число строительных объектов, использующий бетон как основной строительный материал, растет. А с помощью необходимых химических добавок, бетон может стать строительным материалом будущего.
В современном строительстве бетон является одним из главных строительных материалов. Несмотря на развитие металлургической промышленности и металла как строительного материала, в частности, бетон все же остается самым востребованным строительным материалом. Однако обычный бетон обладает рядом недостатков. Один из них — это возникновение воздушных пор при затвердении. Это явление может происходит по причине неоднородности состава бетонной смеси, неправильно подобранной рецептуры, нарушениями при изготовлении смеси, при ее укладке, при ее уплотнении. Последняя операция является одной из главных проблем, так как больше всего подвержена нарушениям и ошибкам по причине человеческого фактора. Уплотнение бетонной смеси происходит за счет виброуплотнения, производящегося техникой. То есть, один из этапов работы по бетонированию, включает в себя одновременные работы техники и человека. Такая совместная работа техники и человека происходит не только в процессе уплотнения, однако именно данная фаза процесса бетонирования, представляющая собой совокупную работу человека и управляемой им техники, способна приводить к возникновению пор внутри затвердевавшего бетона, и как следствие, приводить к возникновению дефектов. Одним из решений данной проблемы является использование СУБ — самоуплотняющегося бетона.
Самоуплотняющийся бетон — это бетон, который без воздействия на него дополнительной внешней уплотняющей энергии самостоятельно под воздействием собственной массы течёт, освобождается от содержащегося в нём воздуха и полностью заполняет пространство между арматурными стержнями и опалубкой [1].
В конце XX века СУБ был создан Японскими учеными. Одной из причин создания данного строительного материала как раз была необходимость отказа от процесса виброуплотнения ввиду снижения количества квалифицированных рабочих [2].
Самоуплотняющиеся бетоны имеют одинаковую с обычными бетонами прочность и долговечность, но отличаются от них с свежем, еще не затвердевшем виде. Текучесть самоуплотняющихся бетонных смесей намного выше по сравнению обычными бетонными смесями, позволяя не только самостоятельно уплотняться под действием гравитационных сил, но и самостоятельно выравниваться при заливке. [3]
Отличительной чертой СУБ является его модифицированный состав, который, помимо стандартных воды, цемента, крупного и мелкого заполнителя, включает в себя так же химические добавки и пластификаторы, изменяющие свойства бетонной смеси и затвердевшего бетона.
Предпосылкой к использованию самоуплотняющегося бетона в строительстве стало развитие химической промышленности. Снижение расхода крупного и мелкого заполнителя компенсируется активными и инертными минеральными добавками — микрокремнеземом, золой уноса, метакаолином, каменной мукой. Замена части цемента дисперсными материалами позволяет получить текучее цементное тесто без седиментации, водоотделения и расслоения в литой бетонной смеси, а так же снизить тепловыделение и усадочные явления при твердении бетона [4].
В силу своего модифицированного состава, самоуплотняющиеся бетоны, помимо отличающихся от обычных бетонов свойств, обладают так же определенными особенностями, характерными для СУБ. Улучшенная прочность на сжатие и характеристики долговечности СУБ, такие как кислородная проницаемость и водопроницаемость, связаны с уменьшением пористости контактной зоны между цементным тестом и заполнителями СУБ и в целом с общим улучшением его микроструктуры в сравнении с обычным бетоном [5].
Еще одной особенностью СУБ, вытекающей из его состава, является пониженное тепловыделение в процессе гидратации, так как в составе используется меньшее количество цемента. Пониженное тепловыделение в свою очередь позволяет избежать термических дефектов во время твердения бетонной смеси, что в свою очередь позволяет применять данный материал для непрерывного бетонирования конструкций ответственных сооружений [6].
В процессе бетонирования самоуплотняющаяся бетонная смесь, в силу своих реологических свойств, полностью повторяет форму поверхности опалубки, что может приводить к получению идеально гладкой и ровной поверхности бетона. Однако стоит упомянуть, что это может быть, как положительной особенностью СУБ, так и отрицательной, так как идеально гладкая и ровная поверхность затвердевшей бетонной конструкции отрицательно сказывается на ее прочности на сдвиг [7].
Совершенно ясно, что особенности СУБ могут быть как положительными, то есть быть преимуществами при использовании, так и отрицательными, то есть быть недостатками.
Преимуществ использования самоуплотняющегося бетона огромное множество для всех сторон, принимающих участие в строительстве и возведении какого-либо сооружения или объекта. В статье [8] есть четкое разделение преимуществ использования СУБ для застройщика, для проектировщика, для подрядчика.
Для застройщика (заказчика):
– Высокие параметры качества и надежности монолитных железобетонных конструкций каркаса здания за счет оптимального соотношения показателей удобоукладываемости бетонной смеси и прочностных характеристик бетона.
– Улучшенные показатели экономической эффективности инвестиционного строительного проекта за счет уменьшения стоимости бетонных работ и сокращения сроков строительства.
Для лица, осуществляющего подготовку проектной документации:
– Возможность проектирования монолитных железобетонных конструкций, имеющих разнообразные геометрические формы за счет улучшения показателей удобоукладываемости бетонной смеси.
– Уменьшение массивности монолитных железобетонных конструкций за счет увеличения прочностных характеристик бетона.
Для лица, осуществляющего строительство:
– Снижение трудоемкости процесса укладки бетонной смеси в опалубку за счет упрощения технологического процесса бетонных работ
– Значительно снижение уровня шума и вибрации, негативно воздействующих на организм человека, при производстве бетонных работ за счет исключения процесса принудительного уплотнения бетонной смеси.
Вышеперечисленные преимущества применения самоуплотняющегося бетона так же стоит дополнить пунктами, которые вытекают из его состава, свойств или вышеуказанных преимуществ. К таким можно отнести:
– Отказ от вибрации является не только повышением безопасности рабочих, но также и снижает вибрационное воздействие на окружающие здания и сооружения, если строительство идет в густо застроенном или историческом районе (что характерно для Санкт-Петербурга).
– Отсутствие процесса уплотнения исключает человеческий фактор и, как следствие, исключает возникновение дефектов в процессе уплотнения.
– Отказ от виброуплотнения снижает стоимость монтажных работ ввиду отказа от одного из этапов работ по бетонированию, где задействованы рабочие и техника.
– Появилась возможность укладывать больший объем смеси, по сравнению с обычной бетонной смесью, за равный промежуток времени.
– Отказ от виброуплотнения повышает скорость монтажных работ.
– Возможность подачи бетона непосредственно через опалубку, например, через отверстие в нижней ее части.
– Использование СУБ на стадии проекта предоставляет архитекторам и проектировщикам свободный выбор геометрии конструкции, а также упрощает разработку проекта [1, 9].
Применение микронаполнителей в технологии бетона позволяет попутно решать важную экологическую проблему — утилизировать ультрадисперсные отходы, которые в настоящее время складируются в специальные отвальные поля, загрязняя природные для культивации земли и атмосферу. Благодаря химическому составу, использование этих отходов позволит снизить расход энергозатратного клинкерного цемента для бетона, заменяя его на природные компоненты [10].
Если сравнивать стоимость использования, то самоуплотняющийся бетон вследствие своего модифицированного состава и стоимости отдельных компонентов бетонной смеси дороже обычного бетона аналогичного вида. Разница в цене составляет от 13 до 18 евро за 1 кубический метр. Однако это удорожание может компенсироваться экономией средств при его укладке [1]. Стоит учесть, что удорожание бетона может компенсироваться только в том случае, если объект строительства достаточно большой и необходимо использовать большой объем бетона. При малом объеме укладываемого бетона, разница в цене будет более ощутима и использование СУБ будет экономически неоправданно и необоснованно. Цена является главным недостатком использования СУБ, однако, не единственным. Ряд недостатков самоуплотняющейся смеси и самоуплотняющегося бетона перечислены в [11, 12].
– Бетонная смесь очень чувствительна даже к небольшим отклонениям в рецептуре.
– Приготовление бетонной смеси СУБ необходимо выполнять на чистых (мытых) материалах, соблюдать рекомендуемую гранулометрию.
– Применяя бетона с добавками, необходим тщательный подбор составов с учетом видов возводимых конструкций и технологии выполняемых работ и только при положительных температурах наружного воздуха.
– При укладке смеси СУБ необходима четкая организация работ и более тщательный уход, чем за обычным бетоном.
– Производство и укладка смеси требуют большей квалификации и опыта у рабочих, выполняющих процесс бетонирования.
Помимо вышеперечисленных недостатков, у самоуплотняющейся смеси есть ряд особенностей при транспортировке и укладке. Самоуплотняющийся бетон, как и бетонная смесь, требует правильных условий перевозки. СУБ не является исключением и также подвержен процессам расслоения (сегрегации), из-за чего часть его свойств теряется, а готовые изделия получаются худшего качества. Необходимо учитывать следующие моменты во время транспортировки СУБ:
– При транспортировке более 1 часа без использования бетономешалки, в смеси образуется осадок. Поэтому СУБ, как и обычный бетон, должен перевозиться только при помощи автомиксеров.
– Погодные условия оказывают пагубное влияние на раствор. Если бетонный раствор будет долгое время отрыт под прямыми солнечными лучами, это приведет к повышению температуры смеси, что, в конечном счете, скажется на консистенции бетона.
– После доставки раствора на строительную площадку, в смесь необходимо добавить разжижитель, тогда бетон приобретет оптимальную консистенцию [12].
Также в [12] перечислены нюансы, которые следует учесть в процессе укладки СУБ:
– Перед тем, как заливать самоуплотняющийся бетон, следует убедиться в том, что в опалубке нет жидкости. Если в ней будет находится хотя бы незначительное содержание воды, то свойства состава могут измениться, что приведет к расслаиванию бетона.
– В процессе укладки нужно постоянно перемешивать смесь (если состав загустел, необходимо добавить разжижитель).
– Длина трубопровода для подачи раствора на рабочее место не должна быть более 200 м. Если смесь будет идти слишком долго, она может стать неоднородной.
При производстве и применении СУБ часто приходится сталкиваться с проблемами, нетипичными для основного производства. Прежде всего, увеличенная продолжительность приготовления СУБ снижает производительность бетонного завода примерно в 2 раза. Так, продолжительность приготовления обычного бетона и заполнения им автобеносмесителя, объемом 6 м 3 , в среднем, составляет 6 минут, а для СУБ — 10÷15 минут. Кроме того, из-за большого количества применяемых добавок, на лопастях бетоносмесителя быстро образуются наросты, из-за чего возникает необходимость качественной промывки бетоносмесителей через каждые 1,5 часа работы [13].
Можно сделать вывод, что СУБ обладает большим количеством особенностей использования, а также преимуществ и недостатков. Это говорит о том, что СУБ является строительным материалом будущего, однако на данный момент это не универсальный строительный материал.
Так же стоит отметить, что СУБ не должен применяться для устранения огрехов плохого проектирования, планирования или исполнения. Положительный результат будет получен только при экономически и технологически оправданном использовании самоуплотняющегося бетона.
Читайте также: